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原子力显微镜结构及特点

  原子力显微镜是通过探针与被测样品之间微弱的相互作用力(原子力)来获得物质表面形貌的信息。因此,原子力显微镜除导电样品外,还能够观测非导电样品的表面结构,且不需要用导电薄膜覆盖,其应用领域将更为广阔。

原子力显微镜的主要结构

  原子力显微镜主要由为反馈光路提供光源的激光系统、进行力-距离反馈的微悬臂系统、执行光栅扫描和Z轴定位的压电扫描器、接收光反馈信号的光电探测器、反馈电子线路、粗略定位系统、防震防噪声系统、计算机控制系统与数据处理软件、样品探测环境控制系统湿控、温控、气环境控制等、监控激光-悬臂-样品相对位置的显微及CCD摄像系统等构成。

原子力显微镜的主要结构.jpg

  1、激光器单元

  原子力显微镜激光器是光反馈通路的信号源。由于悬臂的空间有限性,就对照射器上的光束宽度提出了一定要求:足够细、单色性好、发散程度弱;同时也要求光源的稳定性高,可持续运行时间久,工作寿命长。而激光正是能够很好地满足上述条件的光源。

  2、微悬臂单元

  微悬臂是探测样品的直接工具,它的属性直接关系到原子力显微镜的精度和使用范围。微悬臂必须有足够高的力反应能力,这就要求悬臂必须容易弯曲,也易于复位,具有合适的弹性系数,使得零点几个纳牛甚至更小的力的变化都可以被探测到;同时也要求悬臂有足够高的时间分辨能力,因而要求悬臂的共振频率应该足够高,可以追随表面高低起伏的变化。根据上述两个要求,微悬臂的尺寸必须在微米的范围,而位于微悬臂末端的探针则在10nm左右,而其上针尖的曲率半径约为30nm,悬臂的固有频率则必须高于10Hz。

  3、压电扫描单元

  原子力显微镜要探测样品表面的精细结构,除了高性能的微悬臂以外,压电扫描器压电换能器的精确扫描和灵敏反应也是同样重要的。压电换能器是能将机械作用和电讯号互相转换的物理器件。它不仅能够使样品在XY扫描平面内精确地移动,也能灵敏地感受样品与探针间的作用,同时亦能将反馈光路的电讯号转换成机械位移,进而灵敏地控制样品和探针间的距离力,并记录因扫描位置的改变而引起的Z向伸缩量。这样,压电扫描器就对样品实现了表面扫描。常见扫描器的Z小分辨率为0.1nm×0.1nm×0.1nm。

  4、光电检测与反馈单元

  目前原子力显微镜探测悬臂微形变的主要方法是光束偏转法:用一束激光照在微悬臂的,而用位置灵敏光检测器(PSPD)来接收悬臂的反射激光束,并输出反映反射光位置的信号。由于悬臂的形变会引起反射光束的偏移,导致反射光在PSPD上位置的变化,进而产生反应悬臂的形变的电讯号,以供调节压电扫描器的伸缩控制。

  作为原子力显微镜的核心部件,它们是不可或缺的,要得到满意的试验图像,总是要求各个部件的工作状态都达到Z佳。因此,原子力显微镜中Z关键的技术就是高性能激光器的设计、对微弱力作用极其敏感的微悬臂的设计、为获得高分辨率的非常尖细针尖的制备、精确扫描定位的压电换能器和光电检测技术的研究。

原子力显微镜的特点

  1、高分辨力,原子力显微镜分辨力远远超过扫描电子显微镜,以及光学粗糙度仪。样品表面的三维数据满足了研究、生产、质量检验越来越微观化的要求。

  2、非破坏性,原子力显微镜探针与样品表面相互作用力为10^-8N以下,远比以往触针式粗糙度仪压力小,因此不会损伤样品,也不存在扫描电子显微镜的电子束损伤问题。另外扫描电子显微镜要求对不导电的样品进行镀膜处理,而原子力显微镜则不需要。

原子力显微镜.jpg

  3、应用范围广,原子力显微镜可用于表面观察、尺寸测定、表面粗糙测定、颗粒度解析、突起与凹坑的统计处理、成膜条件评价、保护层的尺寸台阶测定、层间绝缘膜的平整度评价、VCD涂层评价、定向薄膜的摩擦处理过程的评价、缺陷分析等。

  4、软件处理功能强,原子力显微镜三维图象显示其大小、视角、显示色、光泽可以自由设定。并可选用网络、等高线、线条显示。图象处理的宏管理,断面的形状与粗糙度解析,形貌解析等多种功能。


2005-03-25 浏览次数:2854次
本文来源:https://www.yiqi.com/daogou/detail_2856.html
延伸阅读
  • 原子力显微镜组成及应用
    原子力显微镜突出地显现了显微观测技术作为人类视觉感官功能的延伸与增强的重要性,它是在扫描隧道显微镜基础上为观察非导电物质经改进而发展起来的分子和原子级显微工具。

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    原子力显微镜是一种具有原子分辨率的表面形貌、电磁性能分析的重要仪器。原子力显微镜探针由于应用范围仅限于原子力显微镜,属于高科技仪器的耗材,应用领域不广,全世界的使用量也不多。

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  • 原子力显微镜微悬臂形变检测方法
    原子力显微镜是通过检测微悬臂形变的大小来获得样品表面的图像的,所以微悬臂形变检测至关重要。检测微悬臂形变的方式主要有以下几种:①隧道电流检测法;②电容检测法;③光学检测法;④压敏电阻检测法。

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  • 原子力显微镜针尖的作用
    原子力显微镜对比于现有的其它显微工具,以其高分辨、制样简单、操作易行等特点而备受关注,并在生命科学、材料科学等领域发挥了重大作用,极大地推动了纳米科技的发展,促使人类进入了纳米时代。

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